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今天，許多企業(yè)開始運行Kubernetes集群，并從中受益。但我們?nèi)匀徊坏貌怀姓J，Kubernetes底層實現(xiàn)非常復雜，這其中一個最復雜，就是網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的部件。

Kube-OVN開源網(wǎng)絡(luò)插件誕生初衷

從當前Kubernetes網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀來看，Kubernetes 網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的組件非常分散。比如，CNI 負責基礎(chǔ)容器網(wǎng)絡(luò)，它本身只是個接口標準，社區(qū)和市場上都有很多各自的實現(xiàn)；集群內(nèi)的服務(wù)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)需要依賴 kube-proxy，而 kube-proxy 又有 iptables 和 ipvs 兩種實現(xiàn)；集群內(nèi)的 DNS 需要依賴額外組件kube-dns 或coredns；集群對外訪問的負載均衡器服務(wù)需要依賴各個云廠商提供的Cloud-Provider；網(wǎng)絡(luò)策略的 NetworkPolicy 本身只是一個標準接口，社區(qū)中也有各自不同的實現(xiàn)。此外還有 ingress，Kubernetes提供的只是一個標準接口，社區(qū)中同樣有各自的實現(xiàn)。

分散的網(wǎng)絡(luò)組件導致容器網(wǎng)絡(luò)流量被分散到了不同的網(wǎng)絡(luò)組件上，一旦出現(xiàn)問題需要在多個組件間游走逐個排查。在實際運維過程中網(wǎng)絡(luò)問題通常是最難排查的，需要維護人員掌握全鏈路上所有組件的使用、原理以及排查方式。因此，如果有一個網(wǎng)絡(luò)方案能夠?qū)⑺袛?shù)據(jù)平面統(tǒng)一，那么出現(xiàn)問題時只需要排查一個組件即可。

其次，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)插件種類繁多，但是在落地時會發(fā)現(xiàn)，每個網(wǎng)絡(luò)插件由于覆蓋的功能集合不同，很難在所有場景使用同一套方案。為了滿足不同的客戶需求，很多廠商一度同時支持多種網(wǎng)絡(luò)方案，給自身帶來很大負擔。在落地過程中，還發(fā)現(xiàn)很多傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)方案在容器網(wǎng)絡(luò)中是缺失的。一些高級功能是所有網(wǎng)絡(luò)插件都無法滿足的，比如：子網(wǎng)劃分、vlan 綁定、nat、qos、固定 IP、基于acl的網(wǎng)絡(luò)策略等等。

現(xiàn)有 Kubernetes網(wǎng)絡(luò)能力是否足夠？答案很明顯，如果真的已經(jīng)足夠強大，落地的時候就不會出現(xiàn)這么多的問題。從更大的格局來看，Kubernetes本質(zhì)上是提供了一層虛擬化網(wǎng)絡(luò)。而虛擬化網(wǎng)絡(luò)并不是一個新問題。在OpenStack社區(qū)，虛擬網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有了長足的發(fā)展，方案比較成熟，OVS?基本已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)虛擬化的標準。

什么是OVN？

OVS 是一個單機的虛擬網(wǎng)絡(luò)交換機，同時支持 OpenFlow，可以實現(xiàn)復雜的網(wǎng)絡(luò)流量編程，這也是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的基礎(chǔ)。通過OVS 和 OpenFlow 可以實現(xiàn)細粒度的流量控制。如果做個類比，OVS 相當于網(wǎng)絡(luò)虛擬化里的 Docker。

OVS 只是個單機程序，想生成一個集群規(guī)模的虛擬網(wǎng)絡(luò)就需要一個控制器，這就是 OVN。OVN 和 OVS 的關(guān)系就好比 Kubernetes 和 Docker 的關(guān)系。OVN 會將高層次的網(wǎng)絡(luò)抽象轉(zhuǎn)換成具體的網(wǎng)絡(luò)配置和流表，下發(fā)到各個節(jié)點的OVS上，實現(xiàn)集群網(wǎng)絡(luò)的管理。

由于 OVN 最初是為 OpenStack 網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計的，提供了大量 Kubernetes 網(wǎng)絡(luò)目前不存在的功能：

L2/L3 網(wǎng)絡(luò)虛擬化包括：

·?分布式交換機，分布式路由器

·?L2到L4的ACL

·?內(nèi)部和外部負載均衡器

·?QoS，NAT，分布式DNS

·?Gateway

·?IPv4/IPv6 支持

此外 OVN 支持多平臺，可以在Linux，Windows，KVM，XEN，Hyper-V 以及 DPDK 的環(huán)境下運行。

從上面可以看出，?OVN 可以覆蓋 CNI, Kube-Proxy, LoadBalancer, NetworkPolicy, DNS 等在內(nèi)的所有 Kubernetes 網(wǎng)絡(luò)功能，并在原有基礎(chǔ)上都有所增強。那么，何不嘗試把之前在OpenStack領(lǐng)域內(nèi)成熟的網(wǎng)絡(luò)功能平移到?Kubernetes 上呢，于是就誕生了這個開源項目 Kube-OVN。Kube-OVN提供了大量目前Kubernetes不具備的網(wǎng)絡(luò)功能，并在原有基礎(chǔ)上進行增強。通過將OpenStack領(lǐng)域成熟的網(wǎng)絡(luò)功能平移到Kubernetes，來應對更加復雜的基礎(chǔ)環(huán)境和應用合規(guī)性要求。

Kube-OVN 重要功能及實現(xiàn)

目前大部分網(wǎng)絡(luò)插件的網(wǎng)絡(luò)拓撲都是一個大二層網(wǎng)絡(luò)，通過防火墻做隔離，這種形式非常類似公有云早期的經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)。Kube-OVN在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)支出時，同時把多租戶的場景考慮進來，方便之后更好的擴展高級功能，因此采用了不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲。

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Kube-OVN?網(wǎng)絡(luò)拓撲

在Kube-OVN的網(wǎng)絡(luò)拓撲里，不同 Namespace 對應著不同的子網(wǎng)。子網(wǎng)是其中最為重要的概念，之后的內(nèi)置負載均衡器，防火墻，路由策略以及DNS的網(wǎng)絡(luò)功能都是和子網(wǎng)綁定的。我們做到了同一臺機器的不同 pod 可以使用不同的子網(wǎng)，多個子網(wǎng)之間使用一個虛擬路由器進行網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通。為了滿足Kubernetes中主機可以和容器互通的網(wǎng)絡(luò)要求，Kube-OVN在每個主機新增一塊虛擬網(wǎng)卡，并接入一個單獨的虛擬交換機和集群的虛擬路由器相連，來實現(xiàn)主機和容器網(wǎng)絡(luò)的互通。

在容器訪問外部網(wǎng)絡(luò)的策略中，Kube-OVN設(shè)計了兩種方案：一種是分布式 Gateway，每臺主機都可以作為當前主機上 Pod 的出網(wǎng)節(jié)點，做到出網(wǎng)的分布式。針對企業(yè)需要對流量進行審計，希望使用固定IP出網(wǎng)的場景，還做了和 namespace 綁定的 Gateway，可以做到一個 namespace 下的 Pod 使用一個集中式的主機出網(wǎng)。在整個網(wǎng)絡(luò)拓撲中，除了集中式網(wǎng)關(guān)，交換機，路由器，防火墻，負載均衡器，DNS都是分布在每個節(jié)點上的，不存在網(wǎng)絡(luò)的單點。

Kube-OVN架構(gòu)圖

在實現(xiàn)的過程中，Kube-OVN對組件架構(gòu)進行了大幅的簡化，整個流程中只需要一個全局Controller 和分布在每臺機器上的 CNI 插件，就可以組建網(wǎng)絡(luò)，整體安裝十分簡單。其中全局Controller 負責監(jiān)聽 API Server 事件，針對 Namespace，Pod，Service，Endpoint 等和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的資源變化對 OVN 進行操作。同時 Controller 會把操作 OVN 的結(jié)果，例如 IP ，Mac，網(wǎng)關(guān)，路由等信息回寫到對應資源的 annotation 中，而 CNI 插件則根據(jù)回寫的 annotation 信息操作本機的 OVS 以及主機網(wǎng)絡(luò)配置。通過這種架構(gòu)Kube-OVN將 CNI 插件和、Controller 和?OVN 解耦，通過 Apiserver 傳遞所需的網(wǎng)絡(luò)信息，方便快速開發(fā)迭代。

Kube-OVN選擇使用最基礎(chǔ)的 annotation ，而不是 CRD、API Aggregation 或者 Operator，也是出于降低復雜度的考慮，使用戶和開發(fā)者都能夠快速上手。

Kube-OVN主要具備五大主要功能：

1.?Namespace 和子網(wǎng)的綁定，以及子網(wǎng)間訪問控制；

2.?靜態(tài)IP分配；

3.?動態(tài)QoS；

4.?分布式和集中式網(wǎng)關(guān)；

5.?內(nèi)嵌 LoadBalancer；

子網(wǎng)是Kube-OVN中最重要的概念，由于子網(wǎng)和 namespace 關(guān)聯(lián)，因此只需要在 namespace 中設(shè)置對應的 annotation 就可以完成子網(wǎng)的功能。Kube-OVN支持子網(wǎng)cidr，gateway，exclude_ips 以及 switch_name 的設(shè)置。同時支持基于子網(wǎng)的IP隔離，用戶可以輕松實施基本的網(wǎng)絡(luò)隔離策略。在后臺實現(xiàn)上，Kube-OVN會監(jiān)聽 namespace 的變化，并根據(jù)變化在?ovn 中創(chuàng)建并設(shè)置虛擬交換機，將其和集群路由器關(guān)聯(lián)，設(shè)置對應的 acl，dns 和 lb。

靜態(tài)IP的使用可以直接在 Pod 中加入對應的 annotation，Controller 在發(fā)現(xiàn)相關(guān) annotation 時會跳過自動分配階段，直接使用用戶指定的 IP/Mac。對應多 Pod 的工作負載，例如 Deployment、DaemonSet，可以指定一個 ip-pool，工作負載下的 Pod 會自動使用ip-pool中未使用的地址。

在QoS功能中，分別實現(xiàn)了 ingress 和 egress 的帶寬限制，用戶可以在?Pod 運行時通過動態(tài)調(diào)整 annotation 來實現(xiàn) QoS 的動態(tài)調(diào)整，而無需重啟 Pod。在后臺的實現(xiàn)中，?OVN 自帶的 QoS 功能工作在 Tunnel 端口，無法對同主機間 Pod 的互訪做 QoS 控制。因此Kube-OVN最終通過操作 OVS 的 ingress_policing_rate 和 port qos 字段來實現(xiàn) QoS 的控制。

在網(wǎng)關(guān)設(shè)計中，OVN的網(wǎng)關(guān)功能有一些使用限制，需要單獨的網(wǎng)卡來做 overlay 和 underlay 的流量交換，使用起來比較復雜，為了能夠適應更廣泛的網(wǎng)絡(luò)條件并簡化用戶使用，Kube-OVN對網(wǎng)關(guān)部分進行了調(diào)整。使用策略路由的方式根據(jù)網(wǎng)絡(luò)包的源 IP 選擇下一跳的機器，通過這種方式將流量導入所希望的邊界網(wǎng)關(guān)節(jié)點，然后在網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過 SNAT 的方式對外進行訪問。這種方式用戶只需要在 namespace 中配置一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點的 annotation 就可以配置對應的流量規(guī)則。此外，Kube-OVN也支持非SNAT將容器IP直接暴露給外網(wǎng)的場景，這種情況下只需要外部添加一條靜態(tài)路由指向容器網(wǎng)絡(luò)，就可以實現(xiàn) Pod IP 直接和外部互通。

內(nèi)嵌的 LoadBalancer 使用 OVN 內(nèi)置的 L2 LB，這樣集群內(nèi)部的服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能可以直接在 OVS 層面完成，不需要走到宿主機的 iptable 或者 ipvs 規(guī)則，可以將 kube-porxy 的功能整合到 Kube-OVN 中。

下一步開源計劃

目前Kube-OVN已經(jīng)在 github 上開源。OVN 安裝比較繁瑣，Kube-OVN特意做了安裝的簡化，現(xiàn)在只需要兩個 yaml 就可以部署一個完整的 Kube-OVN。在使用方面也做了優(yōu)化，通過直觀的 annotation 即可對網(wǎng)絡(luò)進行配置。此外還針對不使用任何 annotation的情況內(nèi)置了一套默認配置。用戶可以使用默認的子網(wǎng)，默認的IP分配策略，默認的分布式網(wǎng)關(guān)以及內(nèi)嵌的負載均衡器，這些都不需要任何配置就可以默認啟用。歡迎大家體驗試用，多提反饋和意見。

近期Kube-OVN開源項目將主要著力于實現(xiàn)三大目標：第一，集中式網(wǎng)關(guān)的高可用，消滅整個架構(gòu)中最后一個單點；第二，內(nèi)嵌 DNS，去除 Kube-DNS/CoreDNS 的依賴，將整個數(shù)據(jù)平面用 OVN 進行統(tǒng)一；第三，NetworkPolicy實現(xiàn)。

長期來看，未來將實現(xiàn)對DPDK 和 Hardware Offload 的支持，解決 Overlay 網(wǎng)絡(luò)性能問題；將更多的 OVS 監(jiān)控和鏈路追蹤工具引入 Kubernetes；將OpenStack社區(qū)的網(wǎng)絡(luò)功能向Kubernetes平移，打造更完整的網(wǎng)絡(luò)體系。

目前Kube-OVN項目代碼已經(jīng)在Github 上開源，項目地址為：https://github.com/alauda/kube-ovn。項目使用寬松的Apache 2.0 協(xié)議，歡迎更多技術(shù)開發(fā)者和愛好者前去試用和使用。

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福利

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Kube-OVN：基于OVN的开源Kubernetes网络实践的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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